[發明專利]一種非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統及方法

在審

• 申請號: 202010160552.4
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111272881A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 顧凱;熊吉川;劉學峰;徐彬
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01N21/17;G01N25/20
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 岑丹

1.一種非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統，其特征在于，包括激發光發射模塊、檢測光發射模塊、二向色鏡(4)、相位掩模板(7)、遮光器(8)、第一消色差透鏡(9)、相位調節器(10)、第二消色差透鏡(11)、移動樣品臺以及信號接收模塊，且被設置為：

激發光發射模塊發出的激發光經二向色鏡(4)透射后聚焦到相位掩模板(7)，相位掩模板(7)將激發光分為兩束，兩束激發光依次經遮光器(8)、第一消色差透鏡(9)、第二消色差透鏡(11)聚焦到設置在移動樣品臺上的樣品表面；

檢測光發射模塊發出的檢測光經二向色鏡(4)反射后聚焦到相位掩模板(7)，相位掩模板(7)將檢測光分為兩束，其中一束作為探測光依次經遮光器(8)、第一消色差透鏡(9)、相位調節器(10)、第二消色差透鏡(11)聚焦到設置在移動樣品臺上的樣品表面，另外一束作為參考光依次經遮光器(8)、第一消色差透鏡(9)、第二消色差透鏡(11)聚焦到設置在移動樣品臺上的樣品表面；

兩束激發光與探測光、參考光在樣品的同一位置重疊；

信號接收模塊用于接收經樣品反射與衍射后的外差信號。

2.根據權利要求1所述的非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統，其特征在于，所述發光發射模塊包括532nm脈沖激光器(1)、衰減片(2)以及圓柱鏡(3)，所述532nm脈沖激光器(1)、衰減片(2)以及圓柱鏡(3)位于同一光軸上，且圓柱鏡(3)將激發光聚焦到相位掩模板(7)上。

3.根據權利要求1所述的非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統，其特征在于，所述檢測光發射模塊包括830nm連續激光器(5)、球鏡(6)，所述830nm連續激光器(5)、球鏡(6)位于同一光軸上。

4.根據權利要求1所述的非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統，其特征在于，所述信號接收模塊包括聚焦球鏡(13)以及光電信號接收器(14)：

所述聚焦球鏡(13)用于將攜帶著被激發光激發出的樣品信息的探測光與參考光耦合到光電探測器(14)中，獲得外差信號。

5.根據權利要求1所述的非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統，其特征在于，經二向色鏡(4)反射的檢測光與經二向色鏡(4)透射的激發光匯聚在相位掩模板(7)同一點，且檢測光與激發光成固定角度，保證相位調節器(10)僅讓探測光通過，而不遮擋激發光。

6.根據權利要求1所述的非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統，其特征在于，所述信號接收模塊接收到的外差信號為：

其中，q為激發出的聲波波長，I_S為經樣品反射后探測光光強，I_R為經樣品衍射后參考光光強，λ為激發光波長，u(t)為樣品表面微振動相關函數。

7.根據權利要求6所述的非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的激光超聲系統，其特征在于，樣品表面微振動相關函數具體為：

u(t)＝U₀sin(qx)

式中，U₀為超聲位移的幅值，q為激發出的聲波波長；

經樣品衍射后參考光光強具體為：

式中，I₀為未經過樣品衍射時參考光的光強。

8.一種非接觸式檢測納米薄膜熱擴散率的方法，其特征在于，具體為：

構建權利要求1～7任一所述的激光超聲系統；

獲取經樣品反射與衍射后的外差信號；

根據外差信號解算得到樣品熱擴散率。